Cải thiện hiệu quả năng lượng của quá trình xử lý áp suất cao
Xử lý áp suất cao (HPP) là phương pháp bảo quản thực phẩm không dùng nhiệt, bảo đảm an toàn vi sinh và kéo dài thời hạn sử dụng đồng thời duy trì chất lượng thực phẩm. Tuy nhiên, tình trạng sử dụng năng lượng kém hiệu quả do không khí và khí bị giữ lại gây ra những thách thức trong vận hành khi triển khai theo hướng bền vững. Khử khí bằng siêu âm cho chất lỏng truyền áp suất và thực phẩm dạng lỏng giúp giảm khả năng chịu nén, giảm thiểu tổn thất năng lượng và cải thiện hiệu quả tổng thể của quá trình HPP.
Xử lý áp suất cao (HPP): Những thách thức về hiệu quả năng lượng
Xử lý áp suất cao (HPP) là một trong những kỹ thuật bảo quản thực phẩm không dùng nhiệt hàng đầu, kết hợp khả năng bất hoạt vi sinh vật với việc duy trì chất lượng cho các sản phẩm thực phẩm dạng lỏng và rắn. Công nghệ HPP bảo đảm an toàn thực phẩm và kéo dài thời hạn sử dụng mà không làm suy giảm các đặc tính cảm quan hoặc dinh dưỡng của thực phẩm, phù hợp với xu hướng ngày càng ưa chuộng các sản phẩm ít qua chế biến của người tiêu dùng. Tuy nhiên, nhu cầu năng lượng của HPP đặt ra những thách thức đáng kể trong vận hành, đặc biệt do sự kém hiệu quả bắt nguồn từ không khí và khí bị giữ lại trong quá trình xử lý. Giải quyết những thách thức này là yếu tố then chốt để khai thác toàn bộ tiềm năng của HPP trong sản xuất thực phẩm bền vững.
Tổng quan: HPP và những thách thức về năng lượng
| Định nghĩa HPP | Thách thức | Giải pháp |
|---|---|---|
| Phương pháp bảo quản thực phẩm không dùng nhiệt, bảo đảm an toàn vi sinh và kéo dài thời hạn sử dụng đồng thời duy trì chất lượng thực phẩm. | Sử dụng năng lượng kém hiệu quả do không khí và khí bị giữ lại, làm tăng chi phí vận hành. | Khử khí bằng siêu âm giúp giảm khả năng chịu nén, giảm thiểu tổn thất năng lượng và cải thiện hiệu quả HPP. |
Giải pháp: Khử khí bằng siêu âm cho chất lỏng dùng trong HPP
Khử khí bằng siêu âm là giải pháp hiệu quả để nâng cao hiệu quả năng lượng của quá trình xử lý áp suất cao (HPP) bằng cách loại bỏ không khí và khí bị giữ lại trong cả chất lỏng truyền áp suất lẫn các sản phẩm thực phẩm dạng lỏng. Khi áp dụng siêu âm công suất cao, hiện tượng xâm thực siêu âm thúc đẩy các bọt khí nhanh chóng hợp lại và thoát ra, giúp giảm khả năng chịu nén và giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình nén. Sự tối ưu hóa này không chỉ giảm chi phí vận hành mà còn tăng tính ổn định của quá trình, giúp HPP bền vững hơn và hiệu quả hơn trong bảo quản thực phẩm.
Khử khí trong nước bằng siêu âm
Nguyên lý hoạt động của HPP
Xử lý áp suất cao (HPP) hoạt động bằng cách cho các sản phẩm thực phẩm, thường được đựng trong bao bì mềm dẻo và không thấm nước, chịu áp suất cực cao lên đến 6.000 bar (600 MPa). Quá trình diễn ra trong bình áp suất cao chứa đầy nước theo một trình tự đơn giản:
- Nạp sản phẩm: Các sản phẩm đã đóng gói được đặt vào giỏ nhựa và chuyển vào bình áp suất cao.
- Tăng áp: Nước được nạp vào bình, đóng vai trò là môi chất truyền áp suất. Sau đó, hệ thống được tăng áp đến mức mong muốn và thường được duy trì trong vài phút.
- Hiệu ứng đẳng áp: Áp suất được tác dụng đồng đều và tức thời lên toàn bộ sản phẩm, bất kể kích thước, hình dạng hoặc thành phần của sản phẩm. Áp suất đẳng hướng này bất hoạt các vi sinh vật lây truyền qua thực phẩm và các enzym gây hư hỏng mà không làm dập nát hoặc biến dạng sản phẩm.
- Giảm áp và lấy sản phẩm ra: Bình được giảm áp, nước được xả ra và các sản phẩm đã xử lý được chuyển ra ngoài, sẵn sàng để tiêu thụ hoặc chế biến tiếp.
Xử lý áp suất cao (HPP)
© Balakrishna et al., 2020
Phương pháp HPP bảo đảm an toàn thực phẩm đồng thời duy trì hương vị, kết cấu và hàm lượng dinh dưỡng. Tuy nhiên, quá trình này đòi hỏi đầu vào năng lượng đáng kể, với mức năng lượng chịu ảnh hưởng của một số yếu tố gây kém hiệu quả trong vận hành.
Những thách thức do mức tiêu thụ năng lượng cao trong HPP
Một trong những nhược điểm chính của HPP là mức tiêu thụ năng lượng cao. Tính chất tiêu tốn nhiều năng lượng của quá trình này bắt nguồn từ:
- Tăng áp cho nước (chất lỏng truyền áp): Nước dùng để truyền áp suất đẳng hướng đòi hỏi năng lượng đáng kể để nén và duy trì áp suất mục tiêu.
- Không khí và khí bị giữ lại trong chất lỏng truyền áp: Các bọt khí trong nước làm giảm hiệu quả truyền áp suất, khiến nhu cầu năng lượng tăng lên. Những bọt khí này bị nén trong quá trình tăng áp, hấp thụ năng lượng vốn có thể được dùng để xử lý sản phẩm thực phẩm.
- Khí trong sản phẩm đã đóng gói: Không khí hoặc khí bị giữ lại trong thực phẩm đã đóng gói (ví dụ: sản phẩm đóng hộp hoặc bán rắn) cũng góp phần gây tổn thất năng lượng. Việc nén các túi khí bên trong đòi hỏi thêm năng lượng và có thể ảnh hưởng đến tính đồng đều của áp suất.
- Tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt: Mặc dù HPP được xem là quá trình không dùng nhiệt, một phần năng lượng vẫn tiêu tán dưới dạng nhiệt do nước bị nén và do ma sát của thiết bị. Điều này làm tăng chi phí vận hành và nhu cầu làm mát.
Buồng dòng chảy siêu âm dùng để khử khí trong chất lỏng và thanh trùng thực phẩm.
Ảnh hưởng của không khí và khí bị giữ lại đến nhu cầu năng lượng của HPP
Sự hiện diện của không khí và khí ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của HPP:
- Giảm hiệu quả truyền áp suất: Không khí và khí dễ bị nén hơn chất lỏng, nghĩa là cần thêm năng lượng để đạt cùng một mức áp suất trong bình.
- Thời gian xử lý dài hơn: Không khí và khí bị giữ lại làm chậm quá trình ổn định áp suất đẳng hướng, kéo dài thời gian chu kỳ.
- Lãng phí năng lượng: Các túi khí bị nén giải phóng năng lượng khi giảm áp, và năng lượng này không thể thu hồi, góp phần làm giảm hiệu quả tổng thể.
Những tác động này đặc biệt rõ rệt khi xử lý các sản phẩm thực phẩm vốn có hàm lượng không khí cao hoặc được đựng trong bao bì giữ lại khí ở khoảng không phía trên sản phẩm, chẳng hạn như sản phẩm đóng hộp hoặc đóng gói chân không.
Các chiến lược giải quyết thách thức về năng lượng trong HPP
Những nỗ lực cải thiện hiệu quả năng lượng của HPP tập trung vào việc giảm ảnh hưởng của không khí và khí trong hệ thống:
Tiền xử lý – Khử khí bằng siêu âm:
Ứng dụng siêu âm để loại bỏ không khí và khí hòa tan khỏi chất lỏng truyền áp và các sản phẩm thực phẩm có thể giảm đáng kể sự lãng phí năng lượng. Hiện tượng xâm thực siêu âm phá vỡ hiệu quả các bọt khí, cho phép chúng thoát ra trước khi tăng áp.
Ngoài ra, sản phẩm có thể đông lại sau khi khử khí bằng siêu âm trong điều kiện chân không, đặc biệt là các sản phẩm đóng hộp hoặc đóng kín.
Sự giảm lượng oxy hòa tan theo thời gian khi sử dụng thiết bị siêu âm UP400ST ở các biên độ 100 %, 80 %, 60 %, 40% và 20 %.
Nghiên cứu: ©Rognerud et al., 2020.
Xử lý siêu âm như một phương án thay thế cho HPP bền vững
Các hệ thống HPP kết hợp siêu âm hiệu suất cao với nhiệt nhẹ (siêu âm kết hợp nhiệt) hoặc với áp suất tăng cao và nhiệt nhẹ (siêu âm kết hợp áp suất và nhiệt) là những kỹ thuật thay thế đầy hứa hẹn, mang lại khả năng đồng hóa và thanh trùng đáng tin cậy trong điều kiện nhẹ và với mức tiêu thụ năng lượng thấp. Vì thanh trùng bằng siêu âm là quá trình xử lý trực tiếp trên đường ống, ngay cả thể tích lớn cũng có thể được xử lý với hiệu quả chi phí cao.
Tìm hiểu thêm về các thiết bị siêu âm Hielscher dùng để thanh trùng thực phẩm dạng lỏng trực tiếp trên đường ống!
Mặc dù HPP được sử dụng rộng rãi trong chế biến thực phẩm, tính chất tiêu tốn nhiều năng lượng của quá trình này, cộng thêm sự kém hiệu quả do không khí và khí bị giữ lại, tạo ra một thách thức lớn. Bằng cách tích hợp các chiến lược như khử khí bằng siêu âm, ngành công nghiệp thực phẩm có thể nâng cao tính bền vững và hiệu quả chi phí của HPP.
Hielscher Ultrasonics là đối tác đáng tin cậy cung cấp các giải pháp quy trình để tối ưu hóa HPP, với công nghệ siêu âm tiên tiến giúp cải thiện hiệu quả năng lượng và độ tin cậy của quá trình. Ngoài ra, Hielscher cung cấp các giải pháp đổi mới cho quá trình thanh trùng thực phẩm có hỗ trợ siêu âm với tác dụng hiệp đồng, bảo đảm các sản phẩm thực phẩm chất lượng cao và an toàn.
Tài liệu / Tài liệu tham khảo
- Rognerud, Maren; Solemslie, Bjørn; Islam, Md Hujjatul; Pollet, Bruno (2020): How to Avoid Total Dissolved Gas Supersaturation in Water from Hydropower Plants by Employing Ultrasound. Journal of Physics: Conference Series 2020.
- Oner M.E. (2020): The effect of high pressure processing or thermosonication in combination with nisin on microbial inactivation and quality of green juice. Journal of Food Processing and Preservation 2020; 44:e14830.
- Evelyn, Filipa V.M. Silva (2016): High pressure processing pretreatment enhanced the thermosonication inactivation of Alicyclobacillus acidoterrestris spores in orange juice. Food Control, Volume 62, 2016. 365-372.
- Balakrishna, Akash Kaushal, Md Abdul Wazed, Mohammed Farid (2020): A Review on the Effect of High Pressure Processing (HPP) on Gelatinization and Infusion of Nutrients. Molecules 25 (10), 2020. 2369.
Câu hỏi thường gặp
Khử khí cho chất lỏng truyền áp suất là gì?
Khử khí là việc loại bỏ các khí hòa tan và bị giữ lại khỏi chất lỏng dùng trong xử lý áp suất cao (HPP) nhằm cải thiện hiệu quả năng lượng và tính ổn định của quá trình. Bằng cách loại bỏ các khí có khả năng chịu nén, việc khử khí làm giảm tổn thất áp suất, tăng tính đồng đều trong phân bố áp suất và giảm thiểu hao mòn liên quan đến xâm thực trong các hệ thống HPP.
Xử lý áp suất cao HPP là gì?
HPP là phương pháp bảo quản thực phẩm không dùng nhiệt, áp dụng áp suất thủy tĩnh lên đến 600 MPa để bất hoạt vi sinh vật đồng thời duy trì các đặc tính cảm quan và dinh dưỡng. Phương pháp này kéo dài thời hạn sử dụng, bảo đảm an toàn thực phẩm và giữ lại các hợp chất có hoạt tính sinh học mà không sử dụng nhiệt, nên phù hợp với thực phẩm tươi và ít qua chế biến.
Việc sử dụng xử lý áp suất cao HPP có những vấn đề gì?
Những thách thức chính của HPP bao gồm mức tiêu thụ năng lượng cao, quá trình kém hiệu quả do không khí bị giữ lại trong chất lỏng truyền áp suất và chi phí thiết bị cao. Ngoài ra, mặc dù có hiệu quả đối với hầu hết các vi sinh vật gây bệnh ở dạng sinh dưỡng, HPP không bất hoạt được bào tử vi khuẩn nếu không có các biện pháp kiểm soát bổ sung như gia nhiệt nhẹ (xử lý nhiệt có hỗ trợ áp suất, PATP).
Thanh trùng và HPP khác nhau như thế nào?
Thanh trùng là quá trình xử lý nhiệt nhằm bất hoạt vi sinh vật bằng nhiệt (thường ở 60–85°C), có khả năng làm thay đổi kết cấu và thành phần dinh dưỡng của thực phẩm. Ngược lại, HPP là phương pháp không dùng nhiệt, bất hoạt vi sinh vật bằng áp suất, duy trì hương vị, kết cấu và các chất dinh dưỡng ban đầu của thực phẩm đồng thời kéo dài thời hạn sử dụng.
Hielscher Ultrasonics sản xuất các thiết bị đồng hóa siêu âm hiệu suất cao với quy mô từ phòng thí nghiệm đến công nghiệp.